Principes de base des cellules de charge

Les cellules de charge mesurent la force, et le type de force (compression ou tension) qui détermine les choix en matière de conception, d'installation et d'application.

• Les cellules de charge à compression mesurent la force lorsque la charge pousse en direction de celles-ci, provoquant une force de compression. Elles sont généralement utilisées dans les camions et les plateformes industrielles ou les balances à réservoir, où la cellule de charge est montée sous une structure ou une plateforme.
  • Avantages :
    • Installation simple pour les charges statiques
    • Options haute capacité disponibles
  • Risques d'erreur :
    • Répartition inégale de la charge
• Les cellules de charge de tension mesurent la force lorsque la charge s'éloigne de la cellule de charge, provoquant une force de tension. Les balances à grue et la mesure de la tension des câbles sont des applications courantes pour ces cellules de charge, où la cellule de charge est alignée avec la trajectoire de la charge.
  • Avantages :
    • Convient aux charges suspendues
    • Peut mesurer les forces dynamiques dans les systèmes de levage
  • Risques d'erreur :
    • Chargement latéral ou désalignement
• Les cellules de charge combinées peuvent mesurer à la fois la tension et la compression. Ces capteurs sont utiles pour tester des machines ou des matériaux.
• Les cellules de charge pour la mesure du couple sont plus complexes, car au lieu de mesurer une seule force axiale, les capteurs de couple (capteurs de force rotatifs) mesurent la déformation due à la torsion. Lorsqu'elles sont fixées à un arbre à un angle de 45°, une jauge subit une tension tandis que la diagonale opposée subit une compression. Dans ce cas, le pont de déformation utilise des déformations opposées pour produire un signal différentiel proportionnel au couple.

Les mesures statiques s'appliquent aux charges qui restent constantes ou qui varient très lentement dans le temps. Un pont-bascule et une cellule de charge qui mesure un réservoir fixe en sont des exemples. À l'inverse, les mesures dynamiques concernent des forces qui varient rapidement en raison d'un mouvement, d'une vibration ou d'un impact. Les applications qui mesurent souvent ces charges dynamiques sont les essais de collision et la surveillance robotique. La distinction entre les conditions statiques et dynamiques influe sur le choix de la cellule de charge, le conditionnement du signal et les exigences de précision. Les applications statiques privilégient la stabilité à long terme et un fluage minimal, tandis que les applications dynamiques exigent une réponse rapide, une fréquence naturelle élevée et un filtrage efficace du bruit afin de capturer avec précision les forces transitoires.

Les cellules de charge sont conçues pour mesurer la force, mais selon la complexité de l'application, des capteurs à axe unique ou à axes multiples peuvent être nécessaires. Comprendre les différences entre ces deux types de capteurs et savoir quand utiliser l'un ou l'autre a un impact important sur la réussite de la mise en œuvre.

L'exactitude et la précision sont deux paramètres essentiels pour évaluer les performances d'un capteur de force, mais elles représentent deux dimensions différentes de la qualité de la mesure.

• L'exactitude décrit l'écart entre la valeur mesurée et la valeur réelle de la charge appliquée.
• La précision fait référence à la cohérence d'un certain nombre de mesures effectuées par le capteur de force dans les mêmes conditions, sans tenir compte de l'exactitude.

Exemple :

• Si une force de 100 kg est appliquée et que le capteur de force indique 99,9 kg, cela serait considéré comme très précis.
• Si les mesures répétées varient entre 100,1 kg et 99,6 kg, cela serait considéré comme très précis et exact.
• Si les mesures répétées varient entre 101,5 kg et 98,0 kg, cela ne serait considéré ni comme précis ni comme exact.

Il est important de tenir compte de la plage de température de fonctionnement complète dans laquelle la cellule de charge sera utilisée. Les environnements extérieurs ou industriels nécessitent souvent des plages étendues. Les variations de température peuvent affecter la précision, c'est pourquoi des techniques de compensation peuvent s'avérer nécessaires.

Il est important de tenir compte de la résistance à la corrosion pour garantir la durabilité et la fiabilité des cellules de charge. Cela est particulièrement important dans les environnements extérieurs ou dans les zones soumises à des conditions difficiles. Une étanchéité hermétique, des boîtiers classés IP et des matériaux spéciaux peuvent souvent offrir une excellente protection. Le choix des matériaux est également important pour atténuer les risques de corrosion.

Corps du capteur : Le corps de la cellule de charge est généralement l'élément le plus vulnérable, car il est souvent en contact direct avec l'humidité, les produits chimiques, les embruns salés ou les environnements acides.

• L'acier inoxydable fortement allié offre une grande résistance à la corrosion pour les applications les plus exigeantes.
• L'aluminium anodisé dur est souvent utilisé pour les systèmes légers qui nécessitent une résistance modérée à la corrosion.
• Les revêtements ou placages protecteurs peuvent également améliorer la durabilité des surfaces du corps des capteurs de force.

Jauges de contrainte : L'exposition à l'humidité est un facteur de risque important pour les jauges de contrainte. La corrosion peut avoir un impact considérable sur le fonctionnement de ces composants.

• L'étanchéité hermétique de la cavité de la jauge de contrainte peut offrir un certain niveau de protection.
• L'encapsulation dans de l'époxy peut également offrir une protection contre les infiltrations.
• Les joints verre-métal sont également très efficaces à cet effet.

Connecteurs électriques : la corrosion au niveau des points de connexion due à l'humidité ou à l'exposition à des produits chimiques peut avoir un impact sérieux sur la fiabilité et la précision des capteurs. Ces risques peuvent être atténués à l'aide de plusieurs approches.

• Les câbles blindés avec gaine étanche empêchent l'humidité de pénétrer dans le point de connexion.
• Des connecteurs classés IP peuvent être spécifiés pour des interfaces étanches afin de minimiser le risque de corrosion.

 
Adhésifs : les adhésifs utilisés pour coller les jauges de contrainte au corps peuvent se dégrader avec le temps, ce qui présente un risque important de corrosion. Les adhésifs haute performance classés pour leur résistance chimique et thermique peuvent être très efficaces s'ils sont conçus pour résister aux environnements propres à l'application.

Les interférences électromagnétiques peuvent provoquer une dérive du signal, du bruit ou une défaillance dans les circuits sensibles des cellules de charge. Il est important de tenir compte de la protection contre les interférences électromagnétiques (EMI), les interférences radioélectriques (RFI) et les décharges électrostatiques (ESD) lors du choix des cellules de charge. Les recommandations suivantes peuvent améliorer la sécurité du signal, prolonger la durée de vie des capteurs de force et garantir la conformité aux normes CEM telles que CEI 61000, EN55032 et FCC Partie 15.

• Câbles blindés : les câbles à paires torsadées avec blindage tressé ou en feuille, mis à la terre à une extrémité, peuvent être efficaces pour prévenir les interférences dans les lignes de signaux.
• Cage de Faraday : les boîtiers métalliques avec joints conducteurs agissent comme une cage de Faraday pour bloquer les interférences électromagnétiques/radioélectriques externes.
• Filtres : les perles de ferrite, les condensateurs et les filtres passe-bas sur les lignes de signal et d'alimentation suppriment les bruits à haute fréquence et les pics de tension.
• Mise à la terre : une mise à la terre correcte du corps du capteur de force, du blindage du câble et de l'équipement de traitement du signal fournit un chemin à faible impédance pour les courants parasites et les décharges électrostatiques. 
• Circuits de protection ESD : les diodes TVS (Transient Voltage Suppression) ou les suppresseurs ESD sur les lignes IO peuvent réduire considérablement le risque de dommages causés par les décharges électrostatiques.
• Isolation électrique : l'isolation optique ou par transformateur dans les modules de conditionnement des signaux empêche les interférences conduites entre le capteur de force et les systèmes d'acquisition de données.
• Optimisation des circuits imprimés : l'utilisation de pistes à impédance contrôlée, de plans de masse et la séparation des chemins analogiques/numériques permettent de minimiser les interférences électromagnétiques internes et la diaphonie.

Pour les applications dans les domaines de la mobilité, de l'automobile, de l'aérospatiale et des machines industrielles, il est impératif que les capteurs de force puissent résister aux chocs mécaniques et aux vibrations sans que leurs performances s'en trouvent dégradées. Dans ces applications, il convient de mettre en œuvre, dans la mesure du possible, des conceptions robustes ou des dispositifs d'amortissement des vibrations. Par exemple, les cellules de charge utilisées dans l'aérospatiale nécessitent souvent des supports antivibratoires pour maintenir un étalonnage acceptable.